（材料学专业论文）多孔沥青混凝土配制技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 多孔沥青混合料是一种新型路面材料，铺筑的路面具有抗滑及吸收交通噪声的功能，有利于减少交 通事故和提高行车安全度，因而越来越受到有关部门的重视。 目前，多孔沥青混合料集料级配设计大多采用手工试算法或图解法，而且结果难以预测。本文以卡 剖来集料堆积模型为基本算法，根据目标孔隙率这一设计指标，用c + + 语言编程来设计多孔沥青混凝土 的级配。计算的目标孔隙率与实测孔隙率问的误差较小，计算结果具有一定的可靠性，因此可以用来辅 助设计多孔沥青混合料的集料级配。 多孔沥青混凝土为骨架孔隙结构，细集料较少，难以形成有力的嵌挤结构，因此组成设计的关键在 于其强度、透水性和高孔隙率之间的平衡。本文利用断面直接观测法，运用f o a m 软件对多孔沥青混凝 土进行孔结构的分析。综合考虑多孔沥青混凝土的力学性能和透水性能，在相同的高孔隙率下，增加粗 集料的接触率有利于提高多孔沥青混凝土强度。提出了粗集料接触率的概念和计算方法。 为了提高沥青胶与集料的黏结，本文研究了碱渣与沥青的相容性和应用安全性，对碱渣进行了表面 处理。开级配和密级配的沥青混凝土对活化碱渣中的氯离子和其它可溶性成分具有较好的密封作用，应 用于沥青路面是安全的。粉胶比是影响多孔沥青混凝土力学性能的关键因素，细集料较多的多孔沥青混 合料为了能提供足够的结构沥青应选用较高的粉胶比。 目前的生态小区，普遍存在草坪砖受压能力不足、场地地面渗水能力较差和人行不便的问题。将阑 石粉、营养液及高羊茅种子混合组成多孔沥青混凝土的种植基，采取渗透或浸渍的方法填充多孔沥青混 凝土内部空隙，高羊茅能较好地发芽生长并呈现良好的生长势态，说明在多孔沥青混凝土上种植高羊茅 是完全可行的。多孔沥青混凝土具有良好的绿色植生性能。 关键词：多孔沥青混凝土、卡剖来模型、级配、孔结构分析、碱渣、粉胶比、植生多孔沥青混凝土 东南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t p o r o u sa s p h a l tm i x t u r ei san e wt y p eo f p a v e m e n tm a t e r i a l i te x h i b i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so f a n t i s k a t i n g a n dn o i s e a b s o r b i n g , w h i c hc o n t r i b u t e st or e d u c i n gt h ep r o b a b i l i t yo ft r a f f i ca c c i d e n t sa n di m p r o v i n gd r i v i n g s a f e t y m o r ea n dm o r et r a n s p o r t a n t i o n - i n t e r r e l a t e dd e p a r t m e n t ss h o wt h e i rc o n c e r n so np o r o u sa s p h a l tm i x t u r e s of a r , m a n u a lc a l c u l a t i o na n di l l u s t r a t i o nm e t h o d sa r ea p p l i e dt ow o r ko u tt h ea g g r e g a t eg r a d a t i o no f p o r o u sa s p h a l tm i x t u r e i nt h i sp a p e r , ap r o g r a mb a s e do nc + + i sp u tf o r w a r da sa u e wm e t h o d w h i c hb a s e do n k a p o l y im o d e la sp r i n c i p l ea n dt a r g e tv o i d sr a t ea sd e s i g n i n gi n d e x i tp r o v e st h a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h e c a l c u l a t e dt a r g e tv o i d sr a t i oa n dt h ep r a c t i c a lv o i d sr a t i oi si n d i s t i n c ta n da c c e p t a b l e i tc a l lb eas u b s t i t u t ef o r t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s a sas k e l e t o n - i n t e r s p a c es t r u c t u r e ，p o r o u sa s p h a l tc o n c r e t eh a sf e wf i n ea g g r e g a t e s s oi ti sh a r df o rp o r o u s a s p h a l tc o n c r e t et of o r ml o c k i n gs t r u c t u r e t h em i x t u r er e t i od e s i g nd e p e n d so nt h eb a l a n c eb e t w e e ns t r e n g t h 、 p o r o u sc a p a b i l i t ya n dh i 曲v o i d sr a t i o i nt h i sp a p e r ，t h es e c t i o n - o b s e r v i n ga n dt h es o f t w a r en a m e df o a ma r e a p p l i e dt oa n a l y z et h ep o r es t r u c t u r eo fp o r o u sa s p h a l tc o n c r e t e r e g a r d i n gs t r e n g t ha n dp o r o u sc a p a b i l i t y , t h e i n c r e a s eo f t o u c h i n gr a t i oi n c r e a s eo f c o a r s ea g g r e g a t ec a ni m p r o v es t r e n g t hr e m a r k a b l y i no r d e rt oi m p r o v et h e i n t e r f a c eb e t w e e na s p h a l tb i n d e ra n da g g r e g a t e s ，t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e ns o d a r e s i d u ea n da s p h a l ti ss t u d i e d t h es u r f a c eo f s o d ar e s i d u es h o u l db em o d i f i e dt oi n s u r et h es o l u b l es u b s t a n c e s n o td i s s o l v eo u t b o t ho p e n - g r a d e da n dd e n s e - g r a d e da s p h a l tc o n c r e t ec a ns e a lu pt h ec h l o r i n ei r o n sa n ds o l u b l e i n g r e d i e n t sw e l l ，w h i c hm a k e ss u r ei ti ss a f ew h e nt h es o d ar e s i d u ei sa p p l i e di na s p h a l tc o n c r e t e f i l l e r - a s p h a l t r a t i oi sc r u c i a lt os t r e n g t ho f p o r o u sa s p h a l tc o n c r e t e t h em o r ep o r o u sa s p h a l tc o n c r e t ec o n t a i n sf i n ea g g r e g a t e s t h eh i g h e rf i l l e r - r a t i os h o u l db eu s e ds oa st of o r me n o u g hs t r u c t u r a la s p h a l t n o w a d a y s ，f r o mv i e wp o i n to fe c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y , t h er e s i d e n t i a ld i s t r i c ts h o w sm a n y p r o b l e m ss u c ha sl o ws t r e n g t ho f l a w nb r i e lp o o rp o r o u sc a p a b i l i t yo f g r o u n da n di n c o n v e n i e n c ef o rw a l k i n g t h ep l a n t i n gm a t r i xc o m b i n e db yl a n s h ip o w d e r , n u t r i t i o u sl i q u i da n dt a l lf e s c u ew a si n j e c t e di n t op o r o u s a s p h a l tc o n c r e t eb yi n f i l t r a t i o no rd i p p i n g t h et a l lf e s c u eb u d si np o r o u sa s p h a l tc o n c r e t ec a ng r o w sw e l l ，t h e r e , t h ep o r o u sa s p h a l tc o n c r e t es h o w sg o o dc a p a c i t yf o rp l a n tg r o w i n g k e yw o r d s ：p o r o u sa s p h a l tc o n c r e t e k a p o l y im o d e lg r a d a t i o na n a l y s i so fp o r es t r u c t u r e s o d a r e s i d u e f i l l e r - a s p h a l tr a t i o g r e e n - g r o w i n gp o r o u sa s p h a l tc o n c r e t e i i 东南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 从1 9 8 8 年实现高速公路零的突破，到2 0 0 5 年年底高速公路通车里程接近4 万公里，短短1 7 年，我 国就走了西方国家需要4 0 年才走完的发展路程。瞩目成就令世人惊叹! 交通部最新统计数据显示，到2 0 0 5 年年底，我国公路通车总里程突破1 9 0 万公里，高速公路接近4 万公里。”十五“期间，我国高速公路通车里程跃居世界第二，新增高速公路2 4 万公里，1 6 个省份的高速 公路通车里程超过了1 0 0 0 公里，平均每年比”九五”期间新增1 0 0 0 公里高速公路。”两纵两横三条重要路段 ”的同江至三亚、北京至珠海、连云港至霍尔果斯、上海至成都、北京至沈阳、北京至上海及西南出海大 通道全部建成高速公路或高等级公路。我国横贯东西、直通南北的公路快速运输网基本形成。 ”十五”以来，国家加大了包括公路在内的基础设施建设投资力度，高速公路建设进入了快速发展期， 年均通车里程超过4 0 0 0 公里。到2 0 0 4 年年底，我国高速公路通车里程达3 4 2 万公里，继续保持世界第二 位。长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等经济发达地区的高速公路网络正在加快形成。高速公路的快速发 展，有力地促进了我国经济发展和社会进步。 公路建设的发展对沥青材料的要求越来越高，回顾我国公路的发展史，可以看出，公路的发展和变革， 实际上是路面材料变革的历史。 上个世纪五十年代，我国的公路主要是砂石路面，砂石料和粘土是最基本的材料，6 0 年代随着大量原 油的开发，道路渣油这种规格的沥青材料登上了历史舞台，在历史上起到了非常重要的作用。8 0 年代中期， 以京律唐高速为代表的高速公路建设进入了一个崭新的时期，开始使用国外的高质量沥青，我国也提出了 道路交通石油沥青材料要求，石化系统也开始攻关研制路用沥青，沥青路面开始成为高等级公路的主要结 构形式。 上世纪九十年代末至本世纪初，我国公路建设跨入了国际行列，对沥青提出了更高的要求，即开始使 用改性沥青，沥青混合料开始采用沥青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 和碎石沥青混合料( s a c ) ，研究和应 用的水平逐渐与国际水平靠拢。 多孔沥青混凝土路面是一种新型的沥青路面。由于雨水能通过空隙从路面内部排走，使路面表面不致 产生很厚的水膜，减轻或避免了高速行车所产生的溅水和喷雾，增强路面的抗滑能力，提高道路的交通安 全性。这种路面结构被广泛应用于降雨量大且集中的地区修建高速公路和城市快速路。 1 1 多孔沥青混凝土简介 1 1 1 多孔沥青混凝土产生的背景和历史 多孔沥青路面起源于欧洲，1 9 6 0 年德国首次兴建此种路面，被称为p o r o u sa s p h a l t ，即大空隙或排水 型路面；在英国也称为p e r v i o u sm a c a d a m 即大空隙沥青碎石。美国和日本称为 o p e ng r a d e da s p h a l tf r i c t i o nc o u r s e ，简称o g f c ，即开级配沥青排水层。自上世纪8 0 年代末起，在 欧洲、北美、日本和澳大利亚得到广泛应用。 1 1 2 多孔沥青混凝土的特点 多孔沥青混凝土设计成一种具有相互连通空隙的开级配混凝土，为大雨时提供了排水通道。雨水垂直 通过多孔沥青混凝土到达不渗水的下卧层表面，然后从侧向排到路面的边缘。从安全和环境方面来说，使 用多孔沥青混凝土有以下好处q ： 东南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 减少水雾和眩光 因为在多孔沥青混凝土路面没有残留水，它几乎可以消除水雾。雨天在多孔沥青混凝土路面上开车， 司机感到安全。多孔沥青混凝土的另一个好处是减少在潮湿状态下前灯的眩光。很显然，这有利于改善能 见度，减少驾驶疲劳。 ( 2 ) 降低噪音 为评价多孔沥青混凝土降低噪音的能力，在美国和欧洲进行了许多研究。据欧洲报道：与密级配热拌 沥青混凝土( h m a ) 路面相比，噪声降低3 d b ( a ) ；与水泥混凝土( p c c ) 路面相比，降低7 d b ( a ) 。用于城郊 公路附近的防音墙通常能降低3 d b ( a ) 左右的噪音。当噪音改变3 d b ( a ) 时，大多数人都能注意到显著的差 异。 铺筑多孔沥青混凝土也许是一种代替防音墙，缓减交通噪声的合理方案。防音墙每o 3 0 5 m 造价1 5 2 0 美金，能减少噪音3 5 d b 。为降低3 d b 噪音，需减少一半交通量或者将防音墙到公路的距离加大一倍。 防音墙或土护坡可用来减少噪音，但它们四周防噪的效果并不相同。 ( 3 ) 防水漂 由于雨水透过多孔沥青混凝土层，在路表不会形成连续的水膜，故多孔沥青混凝土可防水漂。即使长 时间下雨，可能使多孔沥青混凝土饱和，但由于车辆与轮胎间水压通过多孔沥青混凝土的多孔结构消失了， 仍然不会发生水漂。 ( 4 ) 改善路面标志的可见度 多孔沥青混凝土表面层的标志线，可见度高，尤其是潮湿天气，这有利于安全。 ( 5 ) 提高潮湿路面的抗滑性 美国、加拿大和欧洲的研究表明，与密级配( h m a ) 和( p c c ) 路面相比，多孔沥青混凝土具有优良的 潮湿抗滑性，雨天交通事故大大减少。 1 2 国内外研究现状和存在问题 1 2 1 国内外研究现状 级配是影响多孔沥青混凝土性能的最主要的内部因素，也是目前沥青混凝土组成设计的核心内容。集 料级配的选择对多孔沥青混凝土的性质是至关重要的，原因在于： ( 1 ) 集料级配决定了集料骨架空隙率，直接影响多孔沥青混凝土空隙率的大小，同时还影响到沥青用 量和沥青膜与集料之间的黏附性。 ( 2 ) 集料级配直接影响多孔沥青混凝土内摩擦角的大小，同时影响多孔沥青混凝土的力学强度和透水 性能。 ( 3 ) 集料级配还影响到路面压实后的表面粗糙度与使用性能，同时影响交通安全性。 对于目前广泛使用的粗集料间断级配沥青混凝土的集料级配，国内外还未见具体的集料级配计算方法 的报道。各国都凭自己的经验确定一个较宽的级配范围或一条级配曲线( 例如法国) ，让使用者按照较宽范 围的中值和根据集料的组成，自己选择一条级配曲线。美国的公路战略研究计划( s h r p ) 提出的以体积 参数为控制指标的混凝土设计方法s u p e r p a v e ，要求先做3 条集料级配曲线的试验，通过沥青混凝土配合 比试验选定一条合适的级配曲线。然后通过试验确定所选定级配的沥青混凝土的性能指标是否符合要求。 如不符合要求，就重新调整级配和再重复做试验。 多孔沥青路面的许多特性都是高孔隙所赋予的，但是过高的孔隙又会对路面产生不利的影响，如路面 容易脱粒松散，耐久性降低，结构强度减弱等。在多孔沥青混凝土的级配设计中，目标空隙率是一个重要 2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 的设计指标，它是根据混凝土结构强度或耐久性与功能性( 排水要求) 确定的。目前对多孔沥青混凝土的性 能研究仅停留在基于目标空隙率的集料级配、沥青用量、改性剂、抗剥落剂和纤维稳定剂等发面，忽视了 对其力学性能和透水性影响显著的孔结构的研究。 透水性铺装由于具有较高的排水性，雨雪水能迅速渗入地下，避免路面积水，起防滑作用，从而提高 行人行走的安全性。由于其较高的透水、透气性，能满足植物、微生物呼吸生存需要，以其良好的生态环 境效益被誉为“会呼吸”的地面铺装，已应用于城市道路、广场、停车场、居民小区路面等。面层的透水 性构造目前主要有两种方式，一种是现浇透水性面层，另一种是透水性地砖面层“。 1 2 2 存在问题 目前，多孔沥青混凝土集料配合比设计大多采用手工试算法或图解法，既费时又繁琐，而且由于这些 方法存在的缺点，使用者只能凭自己的经验在规定的级配范围内进行调整，或按照规定范围的中值配料， 配制的沥青混凝土的力学性能是否符合要求，只能等待性能试验做完后才能知晓。 多孔沥青混凝土空隙率较大，集料间的接触面积小，沥青混凝土容易产生剥落和松散等弊病，这种沥 青混凝土组成设计和性能评价的关键在于其力学性能与透水性能间的平衡，目前还没有一个指标能综合表 征其力学性能与透水性能。多孔沥青混凝土的孔分布对其力学性能和透水性能起着决定性作用，但目前缺 乏对多孔沥青混凝土的孔分布的合理评测方法。 多孔沥青混凝土的排水功能受粗集料性能( 级配、形状、硬度等) 的影响较大，但性能定量上的规定， 以及如何兼顾功能与耐久性，似乎尚无满意的共识，现在仅限于推荐使用良质粒料。 地面停车几乎是我国城市居住区停车的主要方式之一。这类停车场功能单一，通常采用混凝土地面， 存在着热辐射强、灰尘大、地面无法渗水等问题。近年来。出现生态停车场，也就是提高停车场的绿化率， 考虑停车景观，改善住区生态环境。长见的生态停车场，即铺草砖的停车场，普遍存在草坪砖受压能力不 足、场地地面渗水能力较差和人行不便的问题”。 1 3 本文研究内容及研究意义 1 3 1 研究内容 本文综合运用计算机编程及图像分析处理技术、道路材料、化工材料、生物材料等不同学科的有关知 识，对多孔沥青混凝土孔隙率的设计方法和影响其强度与透水性的关键因素即孔分布进行了研究，通过试 验分析了填料对多孔沥青混凝土性能的影响，在此基础上设计了植生透水沥青混凝土，为多孔沥青混凝土 的性能改善和应用提供了新的途径。本文主要研究内容有： ( 1 ) 以卡剖来模型为基本算法，根据目标空隙率，基于c + + 语言，研究了多孔沥青混凝土级配设计方 法，并编制了设计程序，验证了计算结果的正确性； ( 2 ) 利用断面直接观测法，研究了f o a m 软件评测多孔沥青混凝土内部孔结构的可行性，试验分析了 相同空隙率下，不同孔结构类型对多孔沥青混凝土力学性能和透水性的影响，并运用流体力学等相关理论， 分析了影响机理； ( 3 ) 研究了碱渣改善沥青混凝土性能的效果，对碱渣作为沥青混凝土填料进行了表面憎水改性研究， 分析了粉胶比对多孔沥青混凝土性能的影响； ( 4 ) 试验论证了多孔沥青混凝土作为植物生长基体的可行性，并研究了植生方法。 1 3 2 研究意义 多孔沥青混凝土路面作用的发挥依赖于沥青混凝土有着较大的空隙率，这种路面的使用寿命比一般形 式路面要短得多。本文研究了多孔透水沥青混凝土的孔结构设计方法，分析如何在发挥多空隙透水路面良 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 好使用功能的前提下，尽量提高这种路面的强度。以期能指导多孔沥青混凝土的配合比设计。本文的主要 研究意义在于： ( 1 ) 所开发的基于目标空隙率的级配计算方法，可以直接算出多孔沥青混凝土的级配，避免重复劳动， 省工省时。 ( 2 ) 以多孔沥青混凝土的骨架结构为着眼点，提出的沥青混凝土内部孔结构分布的评测方法。及所揭 示的孔分布显著影响着混凝土力学性能与透水性能，为多孔沥青混凝土的级配设计提供了更详尽的依据。 ( 3 ) 将改性碱渣作为多孔沥青混凝土的填料来加以利用，城市道路和高速公路的建设将对碱渣产生巨 大的需求量，为治理碱渣找到了有益的出路。碱渣的应用推广将变废碱渣为一种替代性道路原材料，对氨 碱法生产纯碱的企业进行产品结构重组和在全国范围内消除碱渣地区的污染产生巨大的影响：通过改变粉 胶比来优化集料表面的自由沥青数量，进而增强粘聚力来提高多孔沥青混凝土的力学强度，为克服其力学 性能不足提供了一条有效的技术途径。 ( 4 ) 在多孔沥青混凝土上种植绿色植物，在保证路面使用性能的前提下，能有效地净化雨水，调节大 气温度和湿度，还具有美化环境的效果。 4 东南大学硕士学位论文第二章基于孔隙率的多孔沥青混凝土级配设计方法研究 第二章基于孔隙率的多孔沥青混凝土级配设计方法研究 多孔沥青混凝土是一种具有典型骨架结构的沥青路面材料，集料级配组成为开级配，拥有较大的空隙 率，以满足降雨期间迅速排除路表水的要求。多孔沥青混凝土的空隙率不仅与沥青用量有关，更主要的是 与其集料级配，特别是与粗集料含量的关系非常紧密，而且空隙率的大小又影响到多孔沥青混凝土的各项 物理力学性能。 目前，多孔沥青混凝土集料级配设计大多采用手工试算法或图解法，既费时又繁琐。而且由于这种方 法存在的严重缺点，使用者只能凭自己的经验在规定的级配范围内进行调整，或按照规定范围的中值配料， 配制的沥青混凝土的力学性能是否符合要求，只能等待性能试验做完后，才能知晓。 本章以卡剖来集料堆积模型为基本算法，基于c + + 语言，研究了多孔沥青混凝土集料级配设计方法， 编制了相应的设计程序，并检验了其可行性，为多孔沥青混凝土的集料级配提出一个简洁有效的设计方法。 2 1 集料级配的设计方法 2 1 1 卡剖来模型 2 1 1 1 同粒径组分体系 对于形状最简单的同一粒径的球形集料而言，存在一个2 5 9 5 的最小空隙率，如图2 1 所示。 图2 - 1 等直径的最大密实度的捧列示意”1 2 1 1 2 两组分体系 如果集料范围延伸到两组分体系( 比如集料的两种尺寸) ，由于集料有不同的形状和棱角，必须找出每 一种组分的比例以获得目标空隙率。假定细组分的空隙率是p ，。粗组分的空隙率是只。那么，集料的形 ， 状和结构、压实效果以及边界条件已暗含在这个空隙率中。因此，所有影响压实度的因素被充分考虑。 2 1 1 3 卡剖来模型 当两种组分的集料被混合到一起时混凝土的空隙率( 。) 是两种因素作用的结果。一种来自于混凝土 中的细组分比例，另一种来自于粗组分的比例。此外，当拌和两种不同粒径的集料时，空隙率一定下降。 东南大学硕士学位论文第二章基于孔隙率的多孔沥青混凝土级配设计方法研究 该空隙率的下降被假定为由集料形状系数倍乘每一组分的百分率。根据卡剖来( k a p o l y i ) 模型”1 ，集料形 状系数是一个不受规则形状( 例如球状) 颗粒拌和比约束的正数。因此，该模型在数学上描绘为： 只。= 巴+ ( 1 一f ) 一善( 1 一善) c 。 式( 2 1 ) 式中善细组分的百分率 只细组分的空隙率 只粗组分的空隙率； 口m 形状系数； 己。两组分集料的空隙率。 运用两组分体系的概念能简易地延伸到多组分体系。这个体系可以通过每次考虑两个组分来完成。当 目标空隙率和两组分比例被确定时，构成的新组分可被看作考虑下一组分的新组分，如图2 - 2 所示。就压 实度和层厚而言，为了模拟施工现场的条件，每一组分的空隙率应该在合适的压实效果和合适的容器中测 量。 、 如 掩 瑚 p b ) v 一 、，厂 l 船1 0 0 b 绷缎分捱组努 。步骤l 挣相翦 鞴种蟾分 1 0 0 i 伽啦 蠡+ b 绷缀分辍维分 疹赣2 拌翻缎分4 匈新缎挣a + b l 靴b 州i 1 0 0 1 0 0 d b + e 缨组分壤维分 步骤3 拌纛维分d 尚新组势_ 如+ c 图2 2 目标空隙率概念运用于多组分体系示意【7 1 2 1 2 级配的计算机设计 如果卡剖来模型中的形状系数可以表征，那么它为解决各种不同粒径的集料的堆积空隙率提供了一条 思路。多孔沥青混凝土中的集料表面包裹了一层沥青胶浆，如果从几何尺度上将沥青胶浆厚度看作是集料 粒径的一部分。那么可以运用卡剖来模型根据目标空隙率来设计沥青混凝土的级配。 多孔沥青混凝土为骨架空隙结构，粗集料含量大且粒径单一，细集料含量少，结构孔隙率很大，为2 0 左右。粗、细集料在混凝土中所起作用并不一样，r o b e t b a l e y “1 提出集料相互嵌挤形成骨架以及骨架空 隙与集料的粒径和形状有关，粗集料空隙应由细集料填充；因此，粗、细集料分界及用量成为级配组成设 计的关键。 6 东南大学硕士学位论文第二章基于孔隙率的多孔沥青混凝土级配设计方法研究 在多孔沥青混凝土中，4 7 5 m 粒径以上的矿料占了相当大的比例，它的含量影响着混凝土的空隙率以 及能否形成骨架结构。国内外的相关研究同样表明。大于4 7 5 m s 的颗粒主要起到骨架支撑作用，而小于 4 7 5 r a m 的颗粒主要起到填充孔隙的作用”。因此集料中4 7 5 m 的通过率对多孔沥青混凝土的空隙率起着 非常显著的作用。本文就是根据目标空隙率，通过调整4 7 5 u 关键筛孔上的集料通过率来确定多孔沥青 混凝土的级配。 以卡剖来模型为基本算法，运用c + + 语言可以实现多孔沥青混凝土的级配设计，计算程序框图见图2 - 3 ， 源程序见附录1 。具体步骤为： ( 1 ) 计算集料的平均形状系数 由式( 2 1 ) 可以看到，任何两种粒径的集料混合时的形状系数都会有所差异。为了简化计算，取一个 能反映各档粒径的集料在最终混合时的空隙率的形状系数作为集料的平均形状系数。因此，首先按t 0 3 0 9 - - 2 0 0 0 测出各档集料的捣实空隙率，如表2 - 1 所示。参考日本新版沥青路面设计纲要推荐级配， 选择4 7 5 m m 关键筛孔上的三个通过率1 l 、1 4 和1 7 ，其他筛孔上的通过率为推荐级配的下限，如 表2 - 2 所示。通常情况下，多孔沥青混凝土集料表面的沥青膜厚度宜为1 4 p s 1 ，以此来计算各个级配的沥 青用量，运用标准马歇尔击实法( j t j w0 7 0 2 2 0 0 0 ) 成型三组多孔沥青混凝土试件，利用体积法( j t j t 0 7 0 8 2 0 0 0 ) 和水中称重法u t j w0 7 0 6 2 0 0 0 ) 测量试件的空隙率。以卡剖来模型为算法，根据三组多孔沥 青混凝土试件的级配和相应的孔隙率可以确定三个不同的形状系数。 ( 2 ) 形状系数的确定和级配的选择 根据所用形状系数计算出的空隙率跟实测空隙率均方差最小的原则，选择一个误差最小的形状系数作 为整批集料的平均形状系数。根据这个形状系数，可以改变4 7 5 m m 关键筛f l 上的通过率得出相应的空隙 率；反之，根据目标空隙率可以计算出4 7 5 m 关键筛孔上的通过率，从而得出相应的级配。 ( 3 ) 验证孔隙率设计的准确性 根据目标孔隙率，按照上述程序可以得出多孔沥青混凝土的集料级配，根据这个级配配制多孔沥青混 凝土，测量其孔隙率并与计算目标孔隙率比较，验证程序设计计算孔隙率的准确性。 l 输入嚣差耄豢嚣妻罗芜署享：荔望磊譬擀的集料级配及相应多孔沥青混撮土的实铡孔隙率 l 输出：三个卡剖来模型的形状系数 l 输出。误著最小的形状系教并给出相 应的孔隙率误差范围 l 输出，可设计的孔隙率范围 j 输入，多孔沥青混凝土孔隙率设计值 l 输出：47 5 m m 集料的通过率 图2 - 3 多孔沥青混凝土孔隙率设计步骤示意 7 东南大学硕士学位论文第二章基于孔隙率的多孔沥青混凝土级配设计方法研究 表2 - 1 各档集料的捣实空隙率测量值 粒径范围m m空隙率 l g 1 6 1 6 1 3 2 1 3 2 9 5 9 5 4 7 5 4 7 5 2 3 6 2 3 6 1 1 8 1 1 8 0 6 0 6 o 3 0 3 0 1 5 0 1 5 o 0 7 5 4 5 3 4 3 2 4 0 2 3 9 3 8 5 3 3 4 2 8 3 2 6 1 2 3 5 1 6 8 。 如果管径d 或流体运动粘度u 改变，则下临界速度也随之改变。但是，不论d 、u 、”怎样变化，相 应的无量纲数r d u 却总是一定的。将v f l d 这一无量纲数，称为雷诺数r e ，对应于上、下临界速度有 上、下临界雷诺数 r e = y d u式( 3 2 0 ) 上雷诺数r e ：= d v 式( 3 - - 2 1 ) 下雷诺数r e ，= v c d u 式( 3 2 2 ) 雷诺通过测定得知对于圆管运动 r e ：1 3 8 0 0 4 0 0 0 0式( 3 2 3 ) r e = 2 3 2 0式( 3 2 4 ) 一般以下临界雷诺数r e ，作为流态的判别标准，即： r e 2 3 2 0 ，管中是紊流。 在2 0 。c ，i 0 1 3 2 5 只口下，水的运动粘度u = 1 0 0 7 x l o - 8 m 2 s 一，水流在多孔沥青混凝土连通孔中的 流速矿 3 8 5 1 0 4 m j ，连通孔的孔径d 5 x 1 0 - 3 m ，因此 r e = v d u 3 8 5 x 1 0 一m 一5 x 1 0 - 3 m ( 1 0 0 7 x 1 0 m 2 s 一1 ) = 1 9 1 2 2 3 2 0 式( 3 2 5 ) 显然，水流在多孔沥青混凝土的连通孔中作层流运动。 多孔沥青混凝土内部的孔隙结构为互相交错、大小不等的连通孔，本文借鉴文献【7 】提出的模型( 如图 3 1 0 所示) 进行分析。为了便于分析比较，将其中的连通孔看作互相并联、大小不等的圆柱形孔。这样水 流的流动规律可以用粘性流体在并联管路中的流动方程来描述。 1 9 东南大学硕士学位论文 第三章孔分布对多孔沥青混凝土强度和透水性的影响 图3 - 1 0 多孔沥青混凝土内部连通孔的分布“” 粘性流体在并联管路中的流动特点是各分路阻力损失相等，总流量等于各分路流量之和“”，即： h ，= q , 2 k ，2 式( 3 2 6 ) g = g ， 式中：缸为流体在i 管路的沿程阻力损失，吼为流体在i 管路的流量，为i 管路的长度，口为流体 的总流量。流量模数k = 、：五瓦尹了西万，d 为管路的直径，名为沿程阻力系数，它与雷诺数r e 和管道 表面的粗糙度有关，由试验确定，在这里假定所有连通孔的兄都相同。 将k 代入式( 3 2 6 ) ，则管路中水的渗流速度为： y ，= 4 4h r 。五= c r 2 式中：t 为i 管路中水的渗流速度，r ，为i 管路的半径，c 1 = 4 观。a 为常数。 显然，连通孔中水的渗流速度随孔径大小变化而变化。孔径大，渗流速度快。 水在连通孔中的流量： 15 g i = y ，石月1 2 = c 1 r 1 2 万r j 2 = c 2 r ，2 式中：c = 万c 1 为常数 因此并联管路的总流量为： q = g ，= c ：r i 一2 f - 1 f t l 根据表3 4 ，日本推荐级配的多孔沥青混凝土中大孔多，因此混凝土的流量大 透过更多的水。 3 2 6 多孔沥青混凝土级配与孔结构的关系 式( 3 3 0 ) 即在同一时间段内能 级配是影响沥青混凝土性能的最主要的内部因素，也是目前沥青混凝土组成设计的核心内容。多孔沥 青混凝土内部连通孔的形成源于粗集料形成的骨架结构，因此对多孔沥青混凝土孔结构的研究内容主要为 分析粗集料的组成和性能。图3 1 1 为日本沥青路面设计纲要推荐级配与j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 推荐级配曲线 的比较。将其中粗集料部分的组成配比陈述为表3 6 。 2 0 东南大学硕士学位论文第三章孔分布对多孔沥青混凝土强度和透水性的影响 一日本沥青路面纲要 l g1 61 3 ，29 54 7 52 ，3 61 1 80 60 30 1 50 0 7 5 筛孔尺寸衄 图3 - 1 1 多孔沥青混凝土集料级配曲线 表3 _ 6 多孔沥青混凝土粗集料的组成 显然，日本推荐的级配为间断级配，集料在4 7 5 m m 9 5 m m 出现断档，集料大部分集中在9 5 m m 1 3 2 u 范围之内，分布极不均匀，因此形成的连通孔分布亦不均匀，局部形成或是较大的连通孔或相对比较密实； j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 推荐级配为连续级配，粗集料分布比较均匀，因此形成的连通孔也比较均匀。究其原因主 要在于，当4 7 5 9 5 m m 骨料含量较少时，较粗骨料易形成较大孔隙的骨架，由于没有足够的细料填充孔 隙，全部细料只能填充部分孔隙，因此易出现上述现象；当4 7 5 9 5 m m 骨料含量较多且适宜时，则该种 粗骨料易形成孔隙较小但数量较多的骨架，细骨料较易分散于这些较小的孔隙中，使粗骨料和孔隙的分布 都比较均匀，并有利于嵌挤力和粘聚力的形成。 3 3 本章小结 ( 1 ) 利用断面直接观测法，运用f o a m 软件可以对多孔沥青混凝土进行7 l 结构的评测。在相同的空隙 率下，日本沥青路面纲要推荐级配的多孔沥青混凝土的孔径相对j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 的要大。前者的透水性能 比较好，而后者的力学性能比较好。 ( 2 ) 论文提出了根据集料级配计算集料接触面积的方法。计算表明，日本沥青路面纲要推荐级配的粗 集料接触率远小于j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 推荐级配的粗集料接触率，因此在外力作用下能有效降低应力，提高多 孔沥青混凝土的骨架承载能力。 ( 3 ) 多孔沥青混凝土中4 7 5 m m 9 5 m m 骨料含量较少时，粗骨料易形成较大孔隙的骨架。局部形成或 是较大的连通孔或相对比较密实；当9 5 4 7 5 m m 骨料含量较多且适宜时，则粗骨料易形成孔隙较小但数 量较多的骨架，有利于嵌挤力和粘聚力的形成。 2 1 蚰 0 t 导擅卿 东南大学硕士学位论文第四章填料和粉胶比对多孔沥青混凝土力学性能的影响 第四章填料和粉胶比对多孔沥青混凝土力学性能的影响 沥青混凝土是由矿质材料和沥青结合料经炒拌而形成的。矿粉在沥青混凝土中的作用至关重要，沥青 只有吸附在填料表面形成薄膜，才能对其他粗、细集料产生粘附作用。优质填料形成的结构沥青大于自由 沥青，所以粘聚力大，混凝土中的结构沥青越多，粘附性能越好。因此，优质填料与沥青拌和后才是真正 的沥青结合料。1 。 填料有两个方面的作用。第一是矿料的一个组成部分，填充矿料间隙；二是加入到沥青混凝土中，悬 浮在沥青中，与沥青相互作用( 物理混合与相互作用) 形成沥青胶浆，已是无法分开的整体，这是影响沥 青混凝土性质的根本原因，它改变了沥青混凝土的性质，物理形态上改变了沥青混凝土的粘稠度，形成的 沥青胶浆影响和决定了沥青混凝土的黏附性、低温特性、高温特性以及疲劳耐久性。 4 1 碱渣作为填料的表面憎水改性研究 4 1 1 碱渣简介 碱渣主要是是氨碱法制碱生产过程中蒸氨工序排放的废弃物，p h 值高，呈强碱性，活性c a 2 含量高”“。 目前国内的碱厂中，氨碱法占到了5 3 6 7 ，对该法在生产过程中产生的大量废渣的处理方法，有的碱厂采 用从废液中澄清碱渣，然后堆放在堆场上的处理方法。有的碱厂将废液废渣直接流入海湾。目前碱渣的处 理还是一个世界性的难题，作为废物丢弃后，会占用大量土地，严重破坏环境， 根据x 一射线衍射、扫描电子显微镜等综合分析可知，碱渣的主要矿物成分是文石，但文石构造并不十 分稳定，在环境变化时，极易转化为方解石，次要矿物有伊利石，绿泥石，高岭石等。由电子显微照片得 知，碱渣的颗粒比较松散，孔隙多而大，成蜂窝状，颗粒间连接不紧密，是由粒径在2 5 的颗粒团聚 而成，团聚体表面结构复杂，有孔隙，但连接紧密。 易溶盐化学分析表明，废料为碱性材料，其中含盐量为1 3 8 8 ，盐类主要成分是c a c l 。，占易溶盐的 9 2 3 ，其他盐类占7 7 ，包括m g c l 2 、n a c l 和c a s o , ，后几种盐在固体废渣中的含量均小于0 5 ，但其 中的m g c l ：、n a c l 和c a c l z 等均具有在潮湿环境下潮解软化的特性，因此给碱渣的加工带来了一定的困难 。1 。无论用作沥青混凝土填料，还是填埋或土处理， 碱渣中可溶性物质是最大障碍。 碱渣作为填料应用在沥青混凝土路面时，由于碱渣中含有易溶盐和较高的氯离子含量，在雨水的冲刷 和车辆的反复碾压之下，易溶盐就有可能溶出而破坏混凝土中的结构沥青，从而导致混凝土的力学性能下 降；氯离子有可能溶出而流入地下水，增大了地下水中氯离子的含量，对附近植被、庄稼和地下水资源都 有可能造成损害。因此，必须对碱渣中的易溶盐和氯离子进行封闭处理以保证在其使用过程中的稳定性。 本节主要研究碱渣用作沥青混凝土填料时的表面处理方法，以降低沥青混凝土中碱渣的浸出性，改善沥青 胶与集料界面的黏结。 4 1 2 碱渣粉体表面改性 碱渣表面处理可以借鉴粉体表面改性的方法。粉体表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体物 料表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变粉体表面的物理化学性质，如表面晶体结构和官能团、表 面能、表面润湿性、电性、表面吸附和反应特性等等，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。 4 1 2 1 机械化学改性原理” 机械化学改性是利用超细粉碎及其强烈机械力作用的过程有目的地对粉体表面进行激活，在一定程度 上改变颗粒表面的晶体结构、溶解性能( 表面无定形化) 、化学吸附和反应活性( 增加表面活性点或活性 2 2 东南大学硕士学位论文 第四章填料和粉胶比对多孔沥青混凝土力学性能的影响 基团) 等。显然，仅仅依靠机械激活作用进行表面改性处理目前还难以满足应用领域对粉体表面物理化学 性质的要求。但是机械化学作用激活了颗粒表面，可以提高颗粒与其它无机物或有机物的作用活性，新生 表面上产生的游离基或离子可以引发苯乙烯、烯烃累进行聚合，形成聚合物接枝的填料。因此，如果在粉 碎过程中添加表面活性剂及其它有机化合物，包括聚合物，那么机械激活作用可以促进这些有机化合物分 子在无机粉体表面的化学吸附或化学反应，达到边生产新表面边改性，即粒度减小和表面有机化的二重目 的。能够对粉体物料进行机械激活的粉碎设备主要有各种类型的球磨机、气流磨及高速机械冲击式磨机等 等。 根据中华人民共和国行业标准公路沥青路面施工技术规范( j t j 0 3 2 - 9 4 ) ) ，沥青混凝土的填料必须 为憎水性矿粉，而且粒度在0 0 7 5 r a m 以下的含量大于8 0 。连云港碱厂经过压滤生产的碱渣为潮湿的饼状 固体，且其中的可溶物含量高达1 3 9 ，因此必须将其干燥粉磨并加以憎水改性。 4 1 2 2 碱渣粉体的制备及表面改性试验 原材料：碱渣( 连云港碱厂) 、改性剂a 试验设备：烘箱、q m - i s p 2 行星式球磨机粉磨工艺参数：1 0 0 0 m l 的球磨罐中0 2 0 m m 大球1 6 个。o l o m m 中球2 0 0 个，0 6 m 小球8 0 0 个，球磨机公转转速4 0 0 r m i n ，自转转速8 0 0 r m i n ，球磨时间3 小时。a 与 碱渣的质量比为i 、1 5 、2 、2 5 和3 。 4 1 3 活化碱渣粉体的憎水效果评价 4 1 3 i 活化指数法“ 对于有机表面改性剂，如非离子型表面活性剂处理后的无机填料或颜料，可以采用“活化指数